CC BY
33
УДК 621.316.723
ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПОЛУПРОВОДНИКОВОГО РЕГУЛЯТОРА МОЩНОСТИ ПЕЧИ ДЛЯ СУШКИ ИЗОЛЯЦИИ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН
1 9
Л.А. Астраханцев1, В.А. Тихомиров2
Иркутский государственный университет путей сообщения, 664074, г. Иркутск, ул. Чернышевского, 15.
Предложена модернизация процесса сушки изоляции за счет оснащения электрической печи энергосберегающим полупроводниковым регулятором мощности, имеющим высокий коэффициент мощности и обеспечивающим электромагнитную совместимость с питающей сетью в режимах управления. Представлена силовая часть полупроводникового преобразователя, поясняется режим работы, а также рассматриваются различные режимы управления мощностью электропечи для формирования необходимой температуры в сушильной камере. Проведен эксперимент по определению электрической прочности изоляции при сушке её различными методами энергоподвода. Использование полупроводниковых преобразователей входного электрического сопротивления в качестве регуляторов мощности для электросушильных печей позволит сократить потери электроэнергии в питающих сетях в процессе сушки изоляции и повысить качество ремонта изоляции. Ил. 3. Табл. 1. Библиогр. 4 назв.
Ключевые слова: технологический процесс; полупроводниковый преобразователь; режимы управления; нагрев; электросушильная печь.
IMPROVING THE EFFICIENCY OF A SEMICONDUCTOR POWER CONTROLLER OF A FURNACE FOR ELECTRIC MACHINE INSULATION DRYING L.A. Astrakhantsev, V.A. Tikhomirov
Irkutsk State University of Railway Engineering, 15 Chernyshevsky St., Irkutsk, 664074.
The paper proposes a modernization of the insulation drying process by equipping electric furnaces with the energy-efficient semiconducting power controller having a high power factor and providing electromagnetic compatibility with the mains supply in control modes. The force part of the semiconductor converter is presented. The mode of operation is explained. The article considers various modes of electric furnace power control to generate the required temperature in a drying chamber. An experiment to determine the electric strength of insulation under drying it by different methods of energy convey is carried out. The use of semiconductor converters of the input electrical resistance as power regulators for electrical drying furnaces will reduce electricity losses in the mains supply during the process of insulation drying and improve the quality of insulation repair. 3 figures. 1 tables. 4 sources.
Key words: technological process; semiconducting converter; control modes; heating; electrical drying furnace
Анализ надежности тяговых электродвигателей Восточного региона показывает, что на долю тяговых электродвигателей (ТЭД) приходится более одной пятой отказов. Наблюдается рост повреждений ТЭД по мере увеличения срока эксплуатации. Средняя стоимость устранения отказа ТЭД в несколько раз превышает стоимость устранения повреждений других видов оборудования электровоза.
Наиболее уязвимым элементом тяговых электрических машин и аппаратов и в то же время дорогим является изоляция. Сушка и пропитка изоляции имеют целью повышение ее диэлектрической и механической прочности, химо- и влагостойкости, теплопроводности, т.е. всего того комплекса свойств, которые определяют качество изоляции и, следовательно,
надежность и долговечность эксплуатации обмоток. Процесс сушки изоляции является одной из самых энергоемких и продолжительных операций в технологии ремонта электродвигателей.
Существуют следующие способы сушки обмоток электрических машин: конвективный, терморадиационный, индукционный, токовая сушка. Во всех этих способах предусматривается процесс нагрева - передачи тепловой энергии от одного тела к другому. Температурные условия термообработки обычно жестко определены изготовителем пропитывающего состава, а длительность его является функцией технологических свойств материалов, образующих систему изоляции, их массы, конструктивных характеристик обрабатываемого узла, давления, а также способа подвода
1Астраханцев Леонид Алексеевич, доктор технических наук, профессор кафедры электроподвижного состава, тел.: 89501134360, e-mail: astrahancev@hotbox.ru
Astrakhantsev Leonid, Doctor of technical sciences, Professor of the Department of Electric Rolling-Stock, tel.: 89501134360, e-mail: astrahancev@hotbox.ru
2Тихомиров Владимир Александрович, аспирант, ассистент кафедры электроподвижного состава, тел.: 89246034582, e-mail: svat_irk@mail.ru
Tikhomirov Vladimir, Postgraduate, Assistant Professor of the Department of Electric Rolling-Stock, tel.: 89246034582, e-mail: svat_irk@mail.ru
тепла к изоляции. Эти же факторы, дополненные показателем влажности, определяют длительность режимов предварительной сушки перед пропиткой. Способ нагрева является практически единственным параметром, не ограниченным регламентирующими рамками, и его обоснованный выбор может существенно повлиять на интенсивность и эффективность рассматриваемого технологического процесса. Несмотря на имеющиеся наработки по применению нетрадиционных способов подвода тепла, базовым при изготовлении и ремонте ТЭД остается пока конвективный нагрев.
В локомотивных депо сушка изоляции двигателей производится в электрических печах А123, СНОС, СДОС и др.
В электрической печи А123 - группы нагревателей, управляемые контакторами; предусмотрена проектом схема автоматического регулирования температуры в сушильной камере с термопарой и контактным термометром манометрического типа ТПГ-СК с одно-позиционным регулированием, который имеет двухпо-зиционное регулирующее устройство воздействующее на контакторы.
Плавное управление мощностью электросушильных печей позволяет снизить расход электроэнергии непосредственно на технологические процессы, но из-за ухудшения энергетических показателей электроустановок с полупроводниковыми преобразователями в режимах управления электрические сети и источники энергии загружаются дополнительным током, который может превышать в 2 и более раза ток, достаточный для выполнения работы [1]. Коммутацией дополнительного тока ухудшаются показатели качества электрической энергии в сети, что ограничивает единичную установленную мощность электроустановок с
полупроводниковыми преобразователями и снижает эффективность работы других потребителей электрической энергии.
В Иркутском государственном университете путей сообщения разрабатываются преобразователи входного электрического сопротивления [2, с. 115-120; 3]. Например, нами предложена модернизация сушильной печи А123 путем оснащения её полупроводниковым преобразователем входного электрического сопротивления с датчиками температуры и влажности, обеспечивающими оптимальную температуру в камере, высокий коэффициент мощности сушильной печи и практически исключающий нелинейные искажения потребляемого тока.
На рис. 1 представлена силовая часть полупроводникового преобразователя для управления мощностью электронагревателей сушильной печи изменением способа соединения сопротивлений во времени с одновременным уменьшением действующего напряжения на нагревателях в номинальном режиме, по сравнению с напряжением сети.
Управление мощностью электросушильной печи с помощью полупроводниковых преобразователей входного электрического сопротивления может быть как фазовым или импульсным способом модуляции на низкой частоте, так и их сочетанием.
Полупроводниковым преобразователем (см. рис. 1) можно изменять действующее значение напряжения на электронагревателях Z1...Z6 от номинального действующего значения напряжения сети до нуля, поэтому преобразователь можно применять для управления мощностью электронагревателей со стандартными значениями номинального напряжения сети. Номинальный режим электронагревателей обеспечивается одновременной подачей импульсов управ-
ления на тиристоры VS1, VS2, VS3 с углом проводимости тиристоров р = 180° в фазе U со смещением импульсов управления тиристорами в других фазах на 120 электрических градусов. В режиме управления активная мощность сушильной печи уменьшается за счет различного соединения электронагревательных элементов во времени, при этом увеличивается входное электрическое сопротивление электронагревательной установки. Часть времени нагреватели соединены параллельно, по смешанной схеме или последовательно.
Вместо фазового управления тиристорами, предложенного в работе [4, с. 112-116], можно использовать управление тиристорами модуляцией на низкой частоте с а = 0°. Если напряжение сети имеет синусоидальную форму, то процесс управления мощностью можно пояснить с помощью временных диаграмм напряжения (рис. 2).
В режимах управления мощность электронагревателей печи можно уменьшать, обеспечивая синусоидальную форму тока на входе преобразователя и необходимую температуру на поверхности электронагревателей изменением продолжительности подачи напряжения и паузы с использованием тепловой инерционности элементов. Из временных диаграмм (рис. 2) видно, что можно получать различный уровень температуры на поверхности электронагревателей и формировать необходимое тепловое поле в сушиль-
ной камере.
Рассмотренные варианты в основном демонстрируют возможности способа управления мощностью электронагревателей и предусматривают модуляцию напряжения в пределах 2...10 периодов напряжения сети. В реальных условиях частота пульсаций тока может быть снижена в 100.10000 раз и более при задании режимов управления от датчиков тока, напряжений, температуры.
При управлении температурным режимом в сушильной камере с помощью полупроводникового регулятора мощности достигается энергосбережение за счет исключения перерыва в работе электропечи, во время которого происходит остывание изоляции обмотки. Потери энергии на нагрев воздуха в камере исключаются для вывода температуры изоляции на оптимальный уровень в процессе сушки. Длительная и стабильная температура сушки изоляции в камере электропечи, обеспечивающаяся полупроводниковыми преобразователями, необходима для полимеризации лаковой основы и образования пленки. За счет этого ускоряются физико-химические процессы полимеризации и повышается электрическая прочность изоляции.
Электросушильные печи с данными преобразователями в отличие от отечественных и зарубежных аналогов не требуется оснащать компенсирующими устройствами, входными и выходными фильтрами и применять экранированные кабели.
а)
.. 5 ..
л п
■200 К
5 - -160 ас
в- с &
X - -120 Ё
я ё
- й -80 А
& й> - -40 ■-1 с
=
и _ Е- 0 с 2
0,5
Кривая нагрева изоляции ^ Г'С
Р / Р
- —30 мин- -►
Время процесса сушки изоляции т, мин
б)
_
% --160 в --
120 5 -о
--80 | -
--40 § -в 3
^ Кривая нагрева изоляции и °С р \
Р \
Р
-10 мин-►
Время процесса сушки изоляции т, мин
Рис. 3. Методы управления энергоподводом в процессах сушки изоляции: а - регулирование температуры в сушильной камере двухпозиционным регулирующим устройством; б - регулирование температуры в сушильной камере полупроводниковым преобразователем
Пробивное напряжение и электрическая прочность испытуемого образца изоляции
типа ЛСК-110 ТПЛ
Методы управления энергоподводом в процессах сушки изоляции двухпозиционным регулирующим устройством полупроводниковым преобразователем
Тип пропитывающего материала ФЛ-98 ФЛ-98
1 4,0 4,0
2 4,0 4,5
Пробивное напряжение (7пр„ кВ 3 4,0 4,5
4 4,5 4,5
5 4,0 4,5
Среднее арифметическое значение пробивного напряжения 0ПВ, кВ 4,1 4,4
Среднее значение пробивной напряженности Епр, кВ/мм 41 44
Экспериментальная часть исследований по сушке изоляции была выполнена в специализированной лаборатории кафедры ЭПС «Надёжность и испытание тяговых электрических машин». В процессе исследований контролировалась электрическая прочность изоляции, определяющая надёжность работы изоляции обмоток ТЭД. Для определения электрической прочности изоляции использовали аппарат АИИ-70. Результаты проведенного эксперимента по определению электрической прочности изоляции, пропитанной лаком ФЛ-98, при сушке её различными методами энергоподвода (рис. 3) показали, что наибольшую
электрическую прочность имеет изоляция, плавное регулирование температуры сушки которой выполнялось полупроводниковым преобразователем. Результаты вычислений занесены в таблицу.
Использование полупроводниковых преобразователей входного электрического сопротивления в качестве регуляторов мощности для электросушильных печей вместо известного позиционного управления позволяет сократить количество отказов на 7% за счет повышения качества ремонта изоляции и обеспечивает снижение потерь электрической энергии в электрических сетях до 40% от общего энергопотребления.
1. Астраханцев Л.А. Тиристорные регуляторы для управления мощностью электронагревателей // Техника в сельском хозяйстве. 1990. № 6.
2. Астраханцев Л.А., Тихомиров В.А., Тихомиров И.А. Исследование электронагревательной установки, управляемой полупроводниковыми преобразователями // Вестник Крас-ГАУ. 2010. № 4.
3. Астраханцев А., Тихомиров В.А. [и др.]. Способ и устройство регулирования мощности нагрузки: пат. 2427878 Рос.
ский список
Федерация. МПК G05F 1/66 H02M 7/155 H02M 7/162; заявитель и патентообладатель ГОУ ВПО «Иркутский государственный университет путей сообщения». № 2007148737/07; заявл. 27.03.2008; опубл. 27.08.2011. Бюл. № 24. 4. Тихомиров В.А. Исследование энергетических характеристик электронагревательной установки, оснащенной тири-сторным преобразователем, с помощью MATLAB // Перспективы развития транспорта в XXI веке: материалы I науч. межвузов. интернет-конф. / Иркутск: изд-во ИрГУПС, 2007.
УДК 621.316.1
СИСТЕМНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПОТЕРЬ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ ПРИ ФУНКЦИОНИРОВАНИИ РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЕЙ
Н.В. Савина1, Ю.В. Мясоедов2
Амурский государственный университет,
675027, г. Благовещенск, ул. Игнатьевское шоссе, 21.
Показано, что в современных условиях обеспечить точное определение и прогнозирование потерь электроэнергии в распределительных сетях, обладающих существенной неопределенностью, возможно только на основе системного подхода. Выделен предмет системного исследования потерь электроэнергии - общие закономерности их изменения в трех временных интервалах: ретроспективном, настоящем и будущем, и свойства потерь как объекта управления. Предложено дерево функций системного анализа потерь электроэнергии и раскрыта его сущность для распределительных электрических сетей. Приведена требуемая информационная обеспеченность проблемы потерь электроэнергии. Разработан порядок проведения системных исследований потерь электроэнергии в распределительных сетях при их функционировании. Ил. 2. Библиогр. 3 назв.
Ключевые слова: потери электроэнергии; распределительные сети; неопределенность; системные исследования; информационные потоки; модель; декомпозиция.
SYSTEM STUDIES OF ELECTRIC ENERGY LOSSES UNDER THE OPERATION OF DISTRIBUTION NETWORKS N.V. Savina, Y.V. Myasoedov
Amur State University,
21 Ignatievskoe Shosse , Blagoveshchensk, 675027.
The article shows that under present conditions only system approach ensures accurate identification and prediction of electric power losses in distribution networks that are characterized by considerable ambiguity. The subject of system study of energy losses is identified. These are general regularities of their changes in the three time intervals: retrospective, present and future, and the properties of losses as a controlled object. A tree of functions for the systems analysis of energy losses is proposed and its essence is revealed for distribution networks. The required information support of the problem of electric power losses is given. The procedure for system studies of electric power losses in distribution networks while in operation is worked out. 2 figures. 3 sources.
Key words: losses of electric power; distribution networks; ambiguity; system studies; information flows; model; decomposition.
В настоящее время растет внимание к проблеме энергосбережения и повышения энергоэффективности. Но наряду с этим в распределительных электрических сетях наблюдается недопустимо высокий уровень потерь электроэнергии. При возрастающей напряжённости топливно-энергетического баланса
страны снижение потерь электроэнергии становится одним из главных аспектов энергосберегающей политики.
Важнейшим количественным показателем технического состояния электрических сетей и уровня их эксплуатации является величина потерь электроэнер-
1Савина Наталья Викторовна, доктор технических наук, профессор кафедры энергетики, декан энергетического факультета, тел.: 89246774430, e-mail:power@amursu.ru
Savina Natalya, Doctor of technical sciences, Professor of the Department of Power Engineering, the Dean of the Faculty of Power Engineering, tel.: 89246774430, e-mail: power@amursu.ru
2Мясоедов Юрий Викторович, кандидат технических наук, профессор кафедры энергетики, зав. кафедрой энергетики, тел.: 89246774416, e-mail:myv@amur.ru
Myasoedov Yury, Candidate of technical sciences, Professor of the Department of Power Engineering, Head of the Department of Power Engineering, tel.: 89246774416, e-mail: myv@amur.ru
